Debugger: Wichtige Werkzeuge bei der Fehlersuche in Software

Wer das Programmieren lernt, der stößt zwangsläufig auch auf den Begriff „Debugging“. Hinter diesem Prozess verbirgt sich eine Rundum-Untersuchung des Quellcodes eines Computerprogramms, die darauf abzielt, enthaltene Fehler ausfindig zu machen. Wer also Wert darauf legt, dass eine entwickelte Software auf allen gewünschten Zielplattformen und -geräten wie gewünscht funktioniert, sollte auf den Einsatz eines Debuggers nicht verzichten. Im nachfolgenden Artikel erfahren Sie, was genau ein Debugger ist, wie diese nützlichen Programme funktionieren und wo sie eigentlich zum Einsatz kommen.

Ein Debugger ist ein Computerprogramm, das das Aufspüren und Diagnostizieren von Fehlern in Computersoftware ermöglicht. Ziel eines solchen Hilfswerkzeugs ist es, die Funktionalität der überprüften Software auf allen anvisierten Geräten und Plattformen langfristig zu gewährleisten. Aus diesem Grund überprüfen viele Debugger nicht nur den jeweiligen Quellcode, sondern auch die Interaktion mit dem ausführenden Betriebssystem und der zugrundeliegenden Hardware. Der Debugging-Prozess findet direkt während der Laufzeit statt, sodass die überprüfte Software für die Überprüfung nicht beendet werden muss.

Der Debugging-Begriff geht auf das englische Präfix de- (dt. ent-) und das englische Wort bug (dt. Käfer) zurück. Letztere Bezeichnung wird in der Software-Entwicklung seit Jahrzehnten für Programmfehler verschiedenster Art verwendet – unter Ingenieuren war er sogar schon im 19. Jahrhundert als Bezeichnung für Fehlfunktionen in Gebrauch. In Anlehnung an diesen Begriff bezeichnet man die Behebung eines Software-Fehlers auch als „Bugfix“.

Eine perfekte Software ohne Fehler gibt es nicht, was die tägliche Optimierung quasi unverzichtbar macht. Das große Problem besteht dabei häufig gar nicht darin, fehlerhafte Abläufe im Programmablauf festzustellen, sondern darin, die genaue Ursache dafür auszumachen. Schon eine falsch gesetzte Klammer oder ein nicht korrekt verwendeter Operator können dafür sorgen, dass ein Programm nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Bei hunderten oder gar tausenden Zeilen Code böte die manuelle Suche – Zeichen für Zeichen – allerdings wenig Aussicht auf Erfolg. Moderne Debugger liefern aus diesem Grund nicht nur die Information darüber, dass ein Problem festgestellt wurde, sondern auch detaillierte Angaben zu der Art des Fehlers und häufig auch darüber, in welcher Codezeile er zu finden ist.

Typischerweise arbeiten sich Debugger Schritt für Schritt durch den jeweiligen Programmcode. Zu diesem Zweck werden in der zu debuggenden Software sogenannte Haltepunkte (engl. breakpoints) definiert. Das Debugging-Tool erkennt diese Punkte und kann sie dazu nutzen, die Ausführung der Software an eben diesen Stellen zu stoppen. Für Entwickler ergeben sich dadurch folgende zwei Möglichkeiten:

• Es ist möglich, den exakten Zustand des Programms zu diesem Zeitpunkt zu untersuchen. So lässt sich beispielsweise ganz einfach überprüfen, ob alle eingebunden Variablen die erwarteten Werte ausgegeben haben.
   
• Es ist möglich, das Programm ab dem jeweiligen Haltepunkt abzuspielen, um etwaige Probleme oder Fehlerquellen einzugrenzen.

Die Haltepunkte müssen dabei nicht zwangsläufig fix sein: Viele Debugger erlauben es, die Breakpoints an individuelle Bedingungen zu knüpfen. Auf diese Weise lässt sich das Programm auch unter bestimmten Vorzeichen anhalten. Läuft eine Schleife beispielsweise 20 Durchgänge korrekt ab und erst beim 21. Durchgang kommt es zu einem Programmfehler, kann der Debugger dank einer entsprechenden Bedingung direkt in den Problemfall einsteigen. Die vorangegangenen, ereignislosen Schleifen müssen also nicht noch einmal extra durchlaufen werden.

Zu den weiteren Funktionen von Debuggern zählen unter anderem die Inspektion von Daten wie beispielsweise die Inhalte von Variablen, Speichern oder Registern sowie die Modifizierung von Speichern wie dem Hauptspeicher (Arbeitsspeicher) oder dem Prozessor-Register.

Wie genau sich ein Debugger für die Fehlerüberprüfung einer Software einsetzen lässt, hängt einerseits von dem Tool selbst, andererseits natürlich auch von dem Betriebssystem ab, auf dem Software (und Debugger) ausgeführt werden. Als Nutzer geben Sie dem Überprüfungswerkzeug dabei die Information weiter, an welchen Prozess er anknüpfen soll – wahlweise eine Prozess-ID oder einen Namen. In letzterem Fall bringt der Debugger zunächst die dazugehörige Prozess-ID in Erfahrung. Anschließend wird über einen Systemaufruf die Debugging-Sitzung initiiert.

Generell lassen sich zwei verschiedene Ansätzen für den Einsatz von Debugging-Tools unterscheiden:

• Der Überprüfungsprozess wird innerhalb des Systems abgewickelt, auf dem die zu überprüfende Software läuft.
   
• Der Überprüfungsprozess wird nicht auf dem Computer gestartet, auf dem die zu überprüfende Software läuft, sondern von einem entfernten System aus, auch Remote-Debugging genannt.

Moderne Debugger sind häufig dazu in der Lage, Änderungen am Quellcode einer Software noch während der Ausführung in die Fehlerüberprüfung miteinzubeziehen. Dieses Just-in-time-Debugging ist insbesondere in der frühen Entwicklungsphase einer Computersoftware gefragt, wo kleinere, aber auch größere Code-Fehler keine Seltenheit sind. Nicht von ungefähr verfügen auch die Entwicklungsumgebungen verschiedenster Skriptsprachen und Frameworks über einen integrierten Debugger.

Geht es um Debugger bzw. das Debugging im Allgemeinen lässt sich folgendes festhalten: Soll Computercode langfristig möglichst fehlerfrei funktionieren, ist der Einsatz dieses praktischen Überprüfungsprozederes unverzichtbar – egal, ob Sie ein einfaches Skript, einen einzelnen Prozess, ein Modul, ein komplexes Programm oder ein komplettes Betriebssystem programmieren bzw. weiterentwickeln und testen wollen.

Auch für Nichtprogrammierer ist es von Vorteil, wenn eine Software über einen passenden Debugger verfügt: Entsprechend entworfen und konfiguriert kann das Hilfstool beispielsweise als Sprachrohr zwischen Programmnutzer und Entwickler dienen, wenn es bei der Nutzung zu Fehlern kommt. Durch die Berichte des Debuggers können die Entwickler nämlich wesentlich besser nachvollziehen, wo es hakt und wie der User das Problem mit der Software lösen kann. Je nach Programm, Debugger und Schwere des Fehlers kann ein bereitgestelltes Debugging-Tool den Nutzern einer Software zudem sogar die Fehlerbehebung auf eigene Faust ermöglichen.